1. Основные определения и классификация микропроцессорных средств автоматизации
Микропроцессор (МП)– микроэлектронное устройство, которое осуществляет прием, обработку и выдачу информации. Это программно-управляемое устройство, предназначенное не только для обработки цифровой информации, но и управления процессом этой обработки. Конструктивно МП содержит одну или несколько интегральных схем (ИС) и выполняет действия, определенные программой.
В составе микропроцессора имеются управляющие элементы, позволяющие настроить ее на выполнение требуемых функций, т.е. на реализацию любой зависимости между входной и выходной последовательности электрических сигналов. Таким образом, широкая адаптивность в выполнении функций делает МП универсальным элементом автоматики.
Так как, основная функция МП это преобразование информации, следовательно, его необходимо отнести к одной из групп устройств, входящих в технические средства систем автоматического регулирования и управления.
С целью реализации задачи переработки информации МП необходимо соединить с некоторыми другими устройствами, запрограммировать и обеспечить обмен информацией МП с этими устройствами. К числу подсоединяемых устройств относятся, как минимум, запоминающие устройства (ЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ).
Таким образом, МП – это стандартное (поскольку это интегральная схема) универсальное (поскольку программируемое) устройство, позволяющее реализовать прием, обработку и передачу цифровой информации.
Микропроцессорная система (МПС)– это совокупность взаимосвязанных устройств, включающая один или несколько МП, память (ЗУ), устройства ввода-вывода и ряд других устройств, нацеленных на выполнение некоторых четко определенных функций: вычислительная, контрольно - измерительная или управляющая система.
Микропроцессорныйкомплект(МПК)– совокупность интегральных схем, совместимых по электрическим, информационным и конструктивным параметрам и предназначенных для построения электронно-вычислительной аппаратуры и микропроцессорных систем управления. В типичный состав МПК входят: БИС МП; БИС оперативных запоминающих устройств (ОЗУ); БИС постоянных запоминающих устройств (ПЗУ); БИС интерфейсов или контроллеров внешних устройств; служебные БИС (тактовый генератор, регистры, шинные формирователи, контроллеры шин, арбитры шин). По существу, это элементная база МПС, МЭВМ и МПАС.
Мультипроцессорная (мультимикропроцессорная) система (ММПС)–образуется объединением некоторого количества универсальных или специализированных МП, благодаря чему обеспечивается параллельная обработка информации и распределенное управление.
Таким образом, основным способом применения МП является создание на его основе и других ИС и устройств МПС или ММПС.
МикроЭВМ (МЭВМ)– это конструктивно завершенная МПС имеющая устройства связи с внешними устройствами, панель управления, собственный источник питания и комплект программного обеспечения.
Микроконтроллер (МКО)– устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операций) и управления; реализуется на одном или нескольких кристаллах.
Таким образом, МКО – это микропроцессорное управляющее устройство, в котором за счет сокращения функций по выполнению арифметических операций можно уменьшить их аппаратную сложность и развить функции логического управления.
Однокристальный микроконтроллер(ОМК)– микропроцессорное устройство, конструктивно выполненное в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части МПК.
Программируемый логический контроллер (ПЛК)– конструктивно законченное устройство, выполненное на базе универсального или специализированного микропроцессора, и предназначенное для сбора и обработки технологической информации, с целью формирования команд управления и выдачи управляющих сигналов на объект управления и передачи технологической информации на вышестоящие уровни системы управления.
Микропроцессорная автоматическая система (МПАС)– это автоматическая система со встроенными в нее средствами микропроцессорной техники (МТ).
Структура и взаимосвязь основных средств МТ в рамках МПАС показаны на рис. 1.1, где акцент сделан на структуру и свойства средств МТ, в частности отражены модульность и магистральность.
МП включает арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и блок регистров (БРГ), в который входят регистры: аккумулятор, адреса, флаговые, состояния, программный счетчик, общего назначения, стековые и т.д. МП является составной частью МПС и соответственно МЭВМ и МПАС.
МПС включает помимо МП (одного или нескольких), оперативного и постоянного ЗУ (ОЗУ и ПЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ) ряд других устройств. МПС – одна из составных частей МПАС.
Рис. 1.1. Микропроцессорная автоматическая система
Взаимодействие частей МПАС осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ШД) и управления (ШУ), связывающих в единую систему компоненты МПС, а также шин измерения, контроля и управления, которые совместно с соответствующими устройствами связи с объектом (процессом) обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом. Из сказанного выше следует, что МПС могут быть конструктивно подготовлены для работы с человеком-оператором. Для этого требуется панель управления и другие необходимые компоненты – в этом случае ее называют МЭВМ, а могут предназначаться для агрегатирования, т.е. для работы в конструктивно- и функционально-едином комплексе аппаратуры и поэтому не иметь необходимых для автономной работы компонентов.
В последнем случае речь идет о реализации распределенных средств управления и обработки информации в рамках МПАС. Распределенность здесь означает, прежде всего, декомпозицию общего алгоритма управления на ряд параллельно или последовательно-параллельно реализуемых алгоритмов, не связанных насколько это возможно, друг с другом во времени, и, кроме того, оптимальное пространственное распределение процессов управления и обработки информации путем встраивания средств МТ непосредственно в датчики, регулирующие, исполнительные и другие устройства.
При этом более эффективно решаются задачи обеспечения быстродействия, надежности, живучести, сокращения размеров и уменьшения массы средств автоматического управления, регулирования, контроля и сбора данных. Характерные свойства МП дают возможность встроенного управления каждой отдельной единицей аппаратуры, оборудования, что обеспечивает создание полностью автоматизированных локальных систем и процессов и тем самым обеспечивает комплексную автоматизацию.
На рис. 1.2 представлена общая схема МПАС, в которой акцент сделан на систему связи с объектом. Здесь обозначено: MUX– мультиплексор;DMUX– демультиплексор; ПИП – первичный измерительный преобразователь (датчик); ИУ – исполнительное устройство; МЦАП, МАЦП – многоканальные ЦАП и АЦП соответственно, совмещающие в себе функции одноканальных ЦАП, АЦП, а также демультиплексоров и мультиплексоров соответственно.
Рис. 1.2. Общая схема МПАС
Линия связи(Interchange Circuit)– физическая среда, предназначенная для переноса информации между единицами оборудования, принимающими участие в информационном обмене.
Канал передачи данных(Data Transmission Channel)– совокупность физической среды и технических средств, включая аппаратуру преобразования сигналов, участвующих в процессе передачи информации между оборудованием системы связи.
Формирователь(Driver)– а) электронная цепь (источник) или контакт реле на передающей стороне линии связи, посредством которых осуществляется передача двоичных цифровых сигналов в оконечную нагрузку по соединительному кабелю; б) передатчик двоичных цифровых сигналов.
Оконечная нагрузка(Terminator)– а) электронная цепь (потребитель) на приемной стороне цепи обмена, посредством которой осуществляется прием двоичных цифровых сигналов от формирователя по соединительному кабелю; б) приемник двоичных цифровых сигналов.
Вентильные схемы– электронные ключевые схемы, предназначенные для управления потоком информации из регистров в шины и обратно.
Аналого-цифровой преобразователь(АЦП)– предназначен для преобразования непрерывных сигналов в цифровую форму.
Цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП)– предназначен для преобразования цифровых сигналов в непрерывную форму представления.